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摘要：超級(jí)電容器屬于一種儲(chǔ)存電化學(xué)能量的設(shè)置，充電迅速，使用周期長(zhǎng)，可將電化學(xué)電容劃分為雙電層電容與贗電容，相比雙電層電容器，贗電容超級(jí)電容器具有相對(duì)較高的能量密度。過渡金屬氧化物與氫氧化物是一種不可或缺的贗電容器電極材料。為使贗電容器性能更為突出，許多研究集中在過渡金屬氧化物電極材料與氫氧化物電極材料。具體分析了過渡金屬材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能，希望借此詳細(xì)地闡述電化學(xué)儲(chǔ)能性能，了解過渡金屬材料的這種性能，結(jié)合這種材料的性能，有效利用。

關(guān)鍵詞：過渡；金屬材料；電化學(xué)；儲(chǔ)能性能

0引言

是否顏料消耗非常快，環(huán)境污染問題突出，高效利用能源、尋找清潔能源，這是當(dāng)前社會(huì)迫切需要解決的問題。能源儲(chǔ)存及高效利用能源，這是世界范圍內(nèi)應(yīng)引起注意的問題。電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存是一個(gè)研究的重要點(diǎn)，電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存/釋放通過離子與電子的充電與放電是現(xiàn)代，電池與超級(jí)電容器均將電能保存在在電化學(xué)過程中，這些電能儲(chǔ)存裝置也稱之為電化學(xué)電容器，是非常不錯(cuò)的能量存儲(chǔ)設(shè)備，自身優(yōu)勢(shì)明顯，如功率密度高、高充放電效率等。和電池系統(tǒng)比起來(lái)，超級(jí)電容器一般是束縛了低的能量密度，為獲得更高的能量密度，比容量與工作電壓的增加是兩個(gè)非常重要的探討方向[1]。過渡金屬元素一般包括各個(gè)氧化態(tài)，在電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存中，在氧化氧化還原反應(yīng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的保存，所以，過渡金屬基材料普遍應(yīng)用到贗電容電容器電極上和碳材料比起來(lái)，金屬氧化物與氫氧化物具有相對(duì)較大的電容，因?yàn)樗鼈儼烁麟娮拥霓D(zhuǎn)移。

1研究概況

超級(jí)電容器的能量密度處于靜電電容器與電池中間區(qū)域，與其他電池設(shè)備相比，其具有充電時(shí)間短、可多次循環(huán)使用等優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器與新能源產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，超級(jí)電容器的工作原理為，放電時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)形成于電極位置，經(jīng)由外部電路進(jìn)行電流的傳導(dǎo)；充電時(shí)，外部電壓施加到電極上，對(duì)電極上電子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，超級(jí)電容器具有雙電層電容與贗電容的電荷存儲(chǔ)模式[2]。雙電層電容類和物理介質(zhì)電容器有著相似之處，在電荷基礎(chǔ)上，于固體電極與電解質(zhì)界面實(shí)施分離。贗電容電荷，于電極位置，產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而引起。如果電位被加至電極上，電極材料短時(shí)間內(nèi)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，形成電荷與法拉第電流，贗電容納米材料涵蓋了金屬氧化物、氮化物與導(dǎo)電聚合物，同時(shí)還融合了最新的納米結(jié)構(gòu)鋰電池電極[3]。雙電層電容器電極一般為碳材料，贗電容電極材料涵蓋了氫氧化物與導(dǎo)電聚合物等。當(dāng)電極面積一樣條件下，贗電容要比雙電層電容量高出10倍至100倍。

2過渡金屬材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能的具體分析

2.1鈦基超級(jí)電容器材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能TiO2具有突出的半導(dǎo)體性能，具備特定的幾何結(jié)構(gòu)，這種電極材料可通過溶劑熱法、陽(yáng)極氧化法等進(jìn)行制備，陽(yáng)極氧化法制備的TiO2T納米管陣列具有規(guī)則的管狀孔道，大范圍應(yīng)用到電荷傳輸?shù)幕钚员砻嫖稽c(diǎn)與氧化還原反應(yīng)等[4]。通過氫等離子體方法的使用，對(duì)該納米管陣列做出處置，能夠在粗糙、無(wú)定形的納米管表面具備羥基與Ti3+。通過電化學(xué)方法的使用，改良TiO2納米管性質(zhì)，這是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)如，還原TiO2納米管電化學(xué)陰極，生成氧空位，同時(shí)在表面生成羥基，繼而提升電容性能。對(duì)超級(jí)電容器的反應(yīng)機(jī)理中新插入反應(yīng)電容機(jī)理，在離子嵌入反應(yīng)之下，生成層狀化合物，應(yīng)用到能量?jī)?chǔ)存裝置內(nèi)，多數(shù)主體材料不能插入比鋰離子較大的離子，進(jìn)來(lái)的研究證實(shí)，水相鹽溶液中的陽(yáng)離子可自行地于二維Ti3C2層中插入與脫出。此外，該靈活的Ti3C2Tx能夠被制作成柔性超級(jí)電容器，應(yīng)用于可穿戴能量存儲(chǔ)裝置當(dāng)中。

2.2鎳基超級(jí)電容器材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能超級(jí)電容器具有非常高的比功率，充電快，是一類新型的儲(chǔ)能裝置，鎳基材料憑借較高的理論比電容值，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。鎳元素的+2價(jià)化合物十分穩(wěn)定，在超級(jí)電容器中NiO和Ni（OH）2的應(yīng)用十分普遍。為了彌補(bǔ)NiO導(dǎo)電性能差的弊端，人們想方設(shè)法的嘗試了多項(xiàng)工作。通過溶劑熱法的使用，獲得了還原氧化石墨烯（rGO）包覆的NiO。在NiO制作當(dāng)中，為減少NiO的尺寸與厚度，添加了葡萄糖，為電子傳導(dǎo)提供了便利。各種導(dǎo)電材料的作用，使電極材料導(dǎo)電性能更強(qiáng)，極大提升了NiO的贗電容性能。將其他元素添加到NiO晶格中，讓晶格發(fā)生畸變，繼而獲得較高的贗電容性能。通過共沉淀與熱分解方法的使用，在NiO電極材料中，當(dāng)V摻雜量逐步增加時(shí)，生成的NiO多孔孔徑不斷增大，使得NiO獲得更大的比表面積，有助于離子的傳輸與擴(kuò)散。為讓Ni（OH）2獲得更高的電化學(xué)性能，運(yùn)用了電化學(xué)沉積方法，于泡沫鎳基底上沉積了多孔Ni（OH）2，該結(jié)構(gòu)的存在，便于擴(kuò)散及傳輸電解質(zhì)使電子傳導(dǎo)距離更短，高效應(yīng)用活性材料。一般在電極材料制備過程中，通常整體考量提升電化學(xué)性能的因素，如，獲得了還原氧化a—Ni（OH）2復(fù)合物，該結(jié)構(gòu)讓材料獲得更大的比表面積，結(jié)構(gòu)碳材料性能十分出眾，所以，提高了電荷傳導(dǎo)，讓a—Ni（OH）2獲得非常高的贗電容性能[5]。將碳紙作為基底，在化學(xué)水浴沉積法利用下，獲得納米結(jié)構(gòu)Ni（OH）2片，碳紙將三維結(jié)構(gòu)提供給Ni（OH）2，促使電解質(zhì)較有效參與氧化還原反應(yīng)，同時(shí)把導(dǎo)電性出眾的碳紙用作集流器，讓電子傳導(dǎo)更便捷。無(wú)定形結(jié)構(gòu)在影響電化學(xué)性能方面，研究一直在進(jìn)行，通過簡(jiǎn)潔、綠色的電化學(xué)方法的使用，制出無(wú)定形Ni（OH）2。通過陽(yáng)極氧化金屬鎳，獲得了三維結(jié)構(gòu)的鎳復(fù)合物納米片，該結(jié)構(gòu)獲得了非常大的活性表面積，同時(shí)納米尺寸的孔道結(jié)構(gòu)讓離子傳輸及擴(kuò)散更為容易。

2.3MoO3基超級(jí)電容器材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能MoO3基超級(jí)電容器材料具有十分寬廣的離子擴(kuò)散通道，同時(shí)，電荷遷移電阻非常低，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，所以，具有突出的儲(chǔ)能特性。這種材料具有電活性，它包括的層結(jié)合了微弱范德華力，層間隙能夠嵌入或脫出Li+。取向相同的這種材料介孔膜具有突出的電容與電荷儲(chǔ)存的性能。材料均體現(xiàn)出氧化還原贗電容，而由于層狀結(jié)構(gòu)取向的相同，讓Li+能插進(jìn)結(jié)晶a—MoO3。范德華層中，如此形成了一個(gè)額外的嵌入贗電容，并不對(duì)MoO3充放電動(dòng)力學(xué)行為構(gòu)成影響。與碳基材料比起來(lái)，MoO3-x較低低的電導(dǎo)率阻礙了電化學(xué)性能的提升。所以，提高其電導(dǎo)性的研究很重要。通過高比表面積與高導(dǎo)電率的材料對(duì)MoO3-x進(jìn)行負(fù)載，這是一個(gè)較為可行的方案。室溫電化學(xué)方法制備的ZnO@MoO3。在保持5mV/s掃描速度前提下，可將比容量達(dá)至236F／g。該核殼電纜的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在下述幾點(diǎn)：ZnO納米棒營(yíng)造了良好的電極電導(dǎo)率，薄的MoO3殼層迅速發(fā)生法拉第反應(yīng)，且是可逆的，為離子擴(kuò)散提供了非常短的路徑，生長(zhǎng)在碳纖維上的WO3-x/MoO3-x，核/殼納米線在非對(duì)稱超級(jí)電容器中作為負(fù)極使用，非對(duì)稱電極在0~1.9V中可逆循環(huán)[6]。

3結(jié)束語(yǔ)

分析為獲得性能優(yōu)質(zhì)的超級(jí)電容器電極材料，將現(xiàn)階段研究重點(diǎn)集中到特殊結(jié)構(gòu)的電極材料的設(shè)計(jì)與合成上。過渡金屬基的電極材料提供的比容量比碳材料要高出許多。在高性能電極材料設(shè)計(jì)上，尤其特別重視電極結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率與結(jié)晶態(tài)過渡金屬氧化物與氫氧化物均存在導(dǎo)電性弱的情況，設(shè)計(jì)不同類型的電極結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料，提升導(dǎo)電率，這是研究的重點(diǎn)所在[7]。納米結(jié)構(gòu)的電極材料能高效利用表面積，為電解質(zhì)離子的進(jìn)入提供了方便，繼而呈現(xiàn)增強(qiáng)的電容，納米結(jié)構(gòu)的電極材料也是研究的一個(gè)方向[8]。各結(jié)晶相與形貌的過渡金屬氧化物與氫氧化物材料對(duì)贗電容器性能構(gòu)成了明顯的影響。未來(lái)超級(jí)電容器將是趨近現(xiàn)階段可充電電池的能量密度，同時(shí)獲得非常高的功率密度，延長(zhǎng)使用周期，這需要我們?cè)陔姌O材料研究上多進(jìn)行大膽的創(chuàng)新嘗試。

作者：張磊 單位：鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校